綠氫耦合煉化用氫氣壓縮機設(shè)計探討

張建云，趙 江，宋 鵬，劉 賀，高劍彬

(沈陽鼓風(fēng)機集團往復(fù)有限公司，遼寧 沈陽 110869)

1 引言

在國家的“十四五”規(guī)劃中及各項政策鼓勵下，為實現(xiàn)“2030年碳達峰，2060年碳中和”的雙碳目標(biāo)，國內(nèi)各個省市及企事業(yè)單位，均在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面開展規(guī)劃和布局。往復(fù)壓縮機作為氫氣壓縮的主要動力設(shè)備，在儲存、運輸、加注中均能實現(xiàn)應(yīng)用。但此前由于行業(yè)補貼及政策主要集中于燃料電池、制氫、儲氫、加氫站領(lǐng)域，往復(fù)壓縮機的應(yīng)用較少。隨著行業(yè)的發(fā)展，國家正在快速推進氫能在鋼鐵、水泥、化工等規(guī)?；I(yè)中的應(yīng)用，目前已經(jīng)啟動一批綠氫耦合煉化的應(yīng)用示范工程，為往復(fù)壓縮機的應(yīng)用提供了機遇。

傳統(tǒng)石油化工、煤化工需要大量的氫氣，發(fā)展綠氫和煤化工、石油化工結(jié)合是很好的發(fā)展方向[1]。隨著可再生能源價格下降和碳稅征收，綠氫耦合煉化的競爭力將顯著提升，如果可以利用我國西部地區(qū)的棄風(fēng)、棄光電能，綠氫成本會繼續(xù)降低。但由于光伏、風(fēng)力等可再生能源天然具有能量波動性特點，實現(xiàn)高比例可再生能源連續(xù)制氫供氫還面臨著很多技術(shù)和經(jīng)濟性挑戰(zhàn)[2]。一旦氫氣供給波動對現(xiàn)有裝置生產(chǎn)效益和穩(wěn)定造成不利影響，后果難以承受，也不利于行業(yè)的發(fā)展。

本文對綠氫煉化的工藝特點、往復(fù)壓縮機氣量控制方法、常見機組設(shè)計方案進行了闡述，并進行了對比分析，對如何更好的進行綠氫耦合煉化用氫氣壓縮機設(shè)計進行了探討。

2 綠氫煉化壓縮機要求

前面已經(jīng)提到光伏、風(fēng)力等可再生能源具有天然的波動性，比如光伏的晝夜區(qū)別、風(fēng)力的不連續(xù)及起伏大等等，這都會造成電解水制氫產(chǎn)量的波動。雖然煉油加氫、合成氨、合成甲醇裝置具有負荷調(diào)控能力，比如普遍認為合成氨負載下限可到20%，但電解水制氫工段的負載調(diào)控較快(秒級、分鐘級)，化工合成段的負載調(diào)控較慢(小時級、日級)，二者之間需要配置緩沖環(huán)節(jié)以滿足供氫平穩(wěn)性的要求[3]。

電解水產(chǎn)出的氫氣壓力一般為1.5 MPa(A)左右，通常需要增壓后才能達到化工合成的壓力需求，同時為了滿足供氫平穩(wěn)性的要求，目前主要由兩種適配思路：一是通過壓縮機將氫氣壓力增壓至高值(比如20 MPa)存入儲罐，然后減壓后供后續(xù)裝置使用，這樣可有效保證供氫的壓力及流量穩(wěn)定，但無疑能耗相對較高；另一種是通過壓縮機自身的流量控制手段，保證壓縮機供氫的壓力與流量穩(wěn)定，此種方式較為節(jié)能與經(jīng)濟，但壓縮機需要面臨進口壓力波動較大(比如0.3～1.5 MPa)，甚至壓縮級數(shù)發(fā)生變化的問題。

鑒于目前示范工程多以第二種思路實施，且第一種思路用氫氣壓縮機相對簡單，本文將主要探討如何通過壓縮機組流量控制，實現(xiàn)壓縮機供氫壓力與流量穩(wěn)定。

3 往復(fù)壓縮機常見流量控制方法

從往復(fù)壓縮機的特性看，其排氣壓力是由排氣側(cè)背壓來決定的，只要保證壓縮機供氣量與下游裝置的氣體需求量匹配時，就能保證供氣壓力的穩(wěn)定。因此，保證往復(fù)壓縮機的排氣壓力穩(wěn)定，最終也是通過調(diào)整排量來實現(xiàn)的。下面將簡要介紹幾種往復(fù)壓縮機常見的氣量控制方法及其特點[4]：

(1)管路控制：管路控制包含管路的回流控制和節(jié)流控制，目前往復(fù)壓縮機中應(yīng)用最多的是管路回流控制，它也是系統(tǒng)和操作最為簡單的氣量控制手段。但管路回流控制并未減少壓縮機氣缸的吸入量，因此也未減少功率消耗，經(jīng)濟性很差。

(2)轉(zhuǎn)速控制：轉(zhuǎn)速控制可以直觀、準確的調(diào)節(jié)壓縮機氣量手段，其理論調(diào)整范圍寬、連續(xù)性強，并且能夠節(jié)省能源。但在往復(fù)壓縮機中應(yīng)用時也存在許多不足：比如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)會增加軸系扭振風(fēng)險，軸系固有頻率無法有效避開轉(zhuǎn)速范圍；大型往復(fù)壓縮機轉(zhuǎn)速降低時，壓縮機的旋轉(zhuǎn)不均勻度會急劇增加，曲軸傳遞的扭矩差值、電流波動值也快速增加，影響機組的穩(wěn)定運行；過低的轉(zhuǎn)速會限制潤滑油膜的建立，無法保證機組有效運行；因此實際應(yīng)用不多。

(3)余隙容積控制：余隙容積控制是通過調(diào)整容積效率來實現(xiàn)氣量的變化，增加余隙容積可減小壓縮機的吸入容積，從而減少壓縮機排量。常見的有固定余隙調(diào)節(jié)和可變余隙調(diào)節(jié)2種，具有結(jié)構(gòu)簡單、省功等優(yōu)點。但由于余隙控制腔只能裝在氣缸的蓋側(cè)，因此理論調(diào)節(jié)范圍將小于50%。

(4)吸氣閥卸荷控制：吸氣閥卸荷控制的基本原理是通過氣閥卸荷機構(gòu)壓開吸氣閥閥片或產(chǎn)生卸荷通道，使氣缸中的氣體未經(jīng)壓縮直接返回到進氣腔內(nèi)，從而達到調(diào)節(jié)氣量的目的。其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，并且能節(jié)約能源，在往復(fù)壓縮機中得到普遍應(yīng)用，除用作氣量控制之外，也可用于實現(xiàn)壓縮機空載啟動。但其僅能控制壓縮機氣缸某一工作腔的是否正常工作，因此只能實現(xiàn)固定比例的幾檔氣量控制，無法實現(xiàn)連續(xù)的氣量控制，多用于進、排氣壓力較固定，且固定檔位的氣量控制場合。

(5)無級氣量控制：無級氣量控制實際上是一種特殊型式的吸氣閥卸荷狀態(tài)，其原理是通過控制一個壓縮行程內(nèi)壓開進氣閥片的持續(xù)時間，實現(xiàn)精確氣量返回吸氣腔，理論上可以實現(xiàn)0～100%的氣量調(diào)節(jié)。這種控制方式需要通過一套專用的輔助系統(tǒng)實現(xiàn)，具有精確調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)范圍廣、自動化程度高、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點，但同時其系統(tǒng)相對復(fù)雜，初次投入成本較高，阻礙了其推廣速度。近年來隨著企業(yè)對節(jié)能降耗關(guān)注度提升，以及系統(tǒng)國產(chǎn)化替代突破，投入成本降低，在往復(fù)壓縮機的應(yīng)用呈增長趨勢。

需要說明的是，在實際應(yīng)用中，上述幾種控制方法經(jīng)常是以組合形式出現(xiàn)的，以便更好、更經(jīng)濟地滿足壓縮機排氣量控制的要求。

4 壓縮機設(shè)計案例分析

以某一光伏電解水制氫耦合煉化項目為例，其氫氣壓縮機主要要求及參數(shù)表述如下：

壓縮機入口的氫氣來源途徑有兩種：(1)白天直接通過上游電解水裝置提供，來氣壓力穩(wěn)定為1.5 MPa(A)；(2)夜間氫氣為氫氣儲罐提供，最高壓力為1.5 MPa(A)，隨著儲罐內(nèi)氫氣的持續(xù)供給，壓力不斷下降，最低達到0.3 MPa(A)，進氣溫度按照40 ℃設(shè)計。下游裝置要求氫氣供給壓力為3.5 MPa(A)，供氣量要求穩(wěn)定在3000 N·m3/h。

根據(jù)上述壓縮機工況信息進行壓縮機選型，可知壓縮機應(yīng)保證入口壓力0.3 MPa(A)時排氣量達到3000 N·m3/h，核算其它進氣壓力狀態(tài)下的壓縮機負載及功率消耗，并通過流量控制方法調(diào)整壓縮機排量。通過熱動力計算，初步選型的壓縮機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 壓縮機主要技術(shù)參數(shù)表

(1)若以系統(tǒng)最簡單的思路來進行壓縮機方案設(shè)計，那么采用三回一回路控制即可滿足氫氣供給穩(wěn)定的需求，其主要工藝氣流程見圖1。該方案的主要弊端在于壓縮機軸功率過大，浪費明顯，不同壓力下的軸功率計算值如表2所示。

圖1 三回一單回路控制流程簡圖

表2 三回一單回路各進氣壓力下的軸功率表

(2)若還是僅以管路控制方式來進行氣量調(diào)節(jié)，但要進一步降低機組軸功率，則可以在已有三回一回路控制的基礎(chǔ)上增加一回一回路控制與二回二回路控制。同時且為了更好的控制各級壓力分配及穩(wěn)定性，一回一控制閥的壓力設(shè)定值可設(shè)為0.3 MPa(A)進氣時的一級排氣壓力0.66 MPa(A)；同理二回二控制閥的壓力設(shè)定值可設(shè)為0.3 MPa(A)進氣時的二級排氣壓力1.52 MPa(A)。該方案的主要工藝流程圖見圖2，不同壓力下的軸功率計算值見表3。

圖2 組合回路控制流程簡圖

表3 組合回路各進氣壓力下的軸功率表

(3)通過增設(shè)一回一回路控制與二回二回路控制，已經(jīng)使壓縮機軸功率大幅下降，也滿足了供氫穩(wěn)定的需求，但仍處在可優(yōu)化的地方。若以組合回路再結(jié)合吸氣閥卸荷控制，則可進一步降低壓縮機軸功率。通過熱力計算可知，當(dāng)進氣壓力≥0.51 MPa(A)時，一級軸側(cè)單作用即可滿足氣量需求，因此可將卸荷控制邏輯設(shè)定為“當(dāng)進氣壓力≥0.51 MPa(A)，一級氣缸蓋側(cè)卸荷”；同理“當(dāng)進氣壓力≥1.11 MPa(A)，二級氣缸蓋側(cè)卸荷”。吸氣閥卸荷控制+組合回路模式、組合回路模式下各進氣壓力下的軸功率對比見表4。

表4 吸氣閥卸荷與組合回路各進氣壓力下的軸功率表

(4)在上一設(shè)計方案中，當(dāng)進氣壓力高于某值時，才可采用吸氣閥卸荷將氣缸變?yōu)檩S側(cè)單作用，那么在變?yōu)檩S側(cè)單作用之前，增設(shè)余隙容積控制裝置來增加氣缸蓋側(cè)的余隙容積，即可減少該壓力段內(nèi)的功率消耗。蓋側(cè)可變余隙+吸氣閥卸荷控制+組合回路模式、吸氣閥卸荷控制+組合回路模式下各進氣壓力下的軸功率對比見表5。

表5 可變余隙、吸氣閥卸荷與組合回路各進氣壓力下的軸功率表

(5)在本設(shè)計案例中，最高進氣壓力為1.5 MPa(A)，低于0.3 MPa(A)進氣時的二級排氣壓力1.52 MPa(A)，

所以在通過之前的排量控制方案中，三級氣缸一直處于正常工作，且是滿負荷運行。那么我們可以增加無級氣量控制系統(tǒng)，而且僅需在一、二級氣缸上設(shè)置控制執(zhí)行器，替換掉原有的排量控制方法，就能實現(xiàn)全階段、連續(xù)性強的節(jié)能降耗。無級氣量控制模式下各進氣壓力下的軸功率對比見表6。

表6 無級氣量控制各進氣壓力下的軸功率表

5 分時段排量控制的設(shè)計案例分析

以某一光伏電解水制氫耦合煉化項目為例，氫氣來源、來氣壓力、來氣溫度、儲罐最低氫氣壓力以及下游裝置要求氫氣供給壓力均與第三部分中的條件相同。但在供氣量上呈現(xiàn)分時段要求：在白天氫氣來源穩(wěn)定，來量足夠大的情況下，要求壓縮機排量最大化；在夜間氫氣來源為儲罐存量時，供氣量要求穩(wěn)定在3000 N·m3/h。

那么壓縮機的設(shè)計方案就是采取兩套控制邏輯，在夜間可以選定第三部分中合適的控制模式運行；在白天則需要通過在已有的機組流程設(shè)計上，增加管路變換的模式，使機組壓縮機級數(shù)變?yōu)?級，所有氣缸均變?yōu)椤耙患墯飧住?。以第三部分中組合回路的模式為基礎(chǔ)，增加管路變換舉例，其主要工藝流程圖見圖3。

圖3 帶管路變換的組合回路控制流程簡圖

具體操作方法為：當(dāng)白天運行時，完全開啟控制閥1、控制閥4，完全關(guān)閉控制閥2、控制閥3、控制閥5，則二級、三級氣缸均可直接從壓縮機入口吸氣，轉(zhuǎn)換為“一級氣缸”，所有經(jīng)過氣缸壓縮的氣體都經(jīng)冷卻后直接匯總至壓縮機出口，以表1中壓縮機參數(shù)計算，當(dāng)進氣壓力為1.5 MPa(A)，排氣壓力為3.5 MPa(A)時，壓縮機排量躍升至24800 N·m3/h。

當(dāng)夜間運行時，完全開啟控制閥3、控制閥5，控制閥1、控制閥2、控制閥3切換至回路調(diào)節(jié)閥模式，則壓縮機就切換為第三部分中的組合回路控制模式。在該流程中，止回閥失效的風(fēng)險相對較高一些，因此可將止回閥1、止回閥2替換為控制閥，控制邏輯為白天運行時開啟，夜間運行時關(guān)閉即可。

6 結(jié)論

從第三部分的對比可以看出，當(dāng)綠氫耦合煉化項目下游裝置要求供氣量穩(wěn)定時，吸氣閥卸荷控制+組合回路模式是比較經(jīng)濟實惠，且系統(tǒng)相對簡單的選擇；如果想進一步簡化系統(tǒng)，可選擇組合回路模式；如果想追求節(jié)能效果，無級氣量控制模式則更加適合，另外在機組相對較大，軸功率較高時，該模式的優(yōu)勢會更加明顯。

至于增加余隙容積控制裝置，受余隙容積控制適用范圍的影響，僅能在部分進氣壓力工況下有效節(jié)能，且大部分工況下相對余隙容積需要增加至120%以上，從結(jié)構(gòu)設(shè)計上不具備合理性。另外可變余隙須采用電動控制，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，投入較高，因此該模式不建議采用。對于單回路模式，耗功過大，同樣不建議采用。

第四部分中管路變換增加排氣量模式，在某些分時段氣量要求的場合具有優(yōu)勢，如果在無級氣量控制模式基礎(chǔ)上增加管路變換，無疑會極大的提升機組的適應(yīng)能力。

當(dāng)然本文的設(shè)計方案探討僅局限于壓縮機設(shè)計本身，實際從工藝參數(shù)與壓縮機匹配的角度考慮，也還有很多新的方案可供探討。比如增加部分儲罐數(shù)量，將儲罐最低進氣壓力升至0.6 MPa(A)，那么壓縮機級數(shù)可變?yōu)?級，機組規(guī)模尺寸、軸功率都會大幅降低，排量控制系統(tǒng)的投入尤其是無級氣量控制系統(tǒng)投入將顯著下降，對業(yè)主來講可能又出現(xiàn)了新的選擇。

相信隨著行業(yè)的發(fā)展，大批的項目落地實施，經(jīng)驗不斷積累提升，對該類型機組的設(shè)計又會有新的、更好的方案，為國家的雙碳目標(biāo)提供更多助力。